Лабораторная работа №5
Определение абсолютной и относительной
влажности воздуха
Цель работы: изучить основные понятия о влажности
воздуха и методах её измерения, научиться определять влажность
воздуха психрометром Августа.
Оборудование: гигрометр психрометрический ВИТ-2.
Вопросы входного контроля
1. Уравнение Клапейрона-Менделеева.
2. Термодинамическое равновесие.
3. Насыщенный водяной пар.
4. Испарение и конденсация.
5. Парциальное давление. Закон Дальтона о парциальном давлении.
Краткая теория
Влажность воздуха является очень важным параметром
окружающей среды. Известно, что большую часть поверхности
Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой
непрерывно происходит испарение. В различных климатических
зонах интенсивность этого процесса различна. Она зависит от
среднесуточной температуры, наличия ветров и других факторов.
Таким образом, в определенных местах процесс парообразования
воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых –
наоборот. Так же процесс испарения происходит с растительного
покрова, при дыхании животных и т.д.
Человеческий организм активно реагирует на изменения
влажности воздуха. Например, процесс потоотделения тесно
взаимосвязан с температурой и влажностью окружающей среды.
При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности
кожи практически компенсируются процессами ее конденсации, и
нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям
терморегуляции; при низкой влажности процессы испарения влаги
превалируют над процессами конденсации и организм теряет
слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.
2
Для количественной характеристики водяных паров в
воздухе вводятся следующие понятия:
1. Абсолютная влажность f – физическая величина,
численно равная массе водяного пара, содержащегося в единице
объема воздуха при данной температуре и выражается в СИ кг/м3
(обычно измеряют во внесистемных единицах в г/см3).
m
fV
=
,
3
кг
fм
=
. (1)
Так как плотность пара пропорциональна его давлению, то
абсолютную влажность часто характеризуют упругостью
(парциальным давлением) водяного пара (в СИ в Па), но обычно
измеряют во внесистемных единицах в мм.рт.ст. Водяные пары
приблизительно считают идеальным газом. Тогда из уравнения
Клапейрона-Менделеева давление водяного пара p определяется
следующим образом:
m RT m RT RT
pVV
= = =
, т.е. p ~ ρ.
Где m – масса водяного пара, содержащегося в объеме воздуха
V при абсолютной температуре Т, R – универсальная газовая
постоянная, μ – молярная масса воды,
– плотность водяного пара.
Таким образом при данной температуре давление и
плотность однозначно связаны между собой и являются
эквивалентными характеристиками абсолютной рабс и
максимальной рмакс влажности.
2. Максимальная влажность F – физическая величина,
численно равная массе водяного пара, необходимого для
насыщения 1 м3 воздуха при данной температуре (или рмакс).
Измеряется часто также в г/см3 или в мм рт. ст.
нас
m
FV
=
. (2)
Абсолютная влажность воздуха дает представление о
конкретном содержании воды в воздухе по массе, однако эта
величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности
живыми организмами. Человек ощущает не массовое количество
воды в воздухе, а ее содержание относительно максимально
возможного значения (максимальная влажность). Для описания
3
реакции живых организмов на изменения содержания водяного
пара в воздухе вводят понятие относительной влажности.
3. Относительная влажность Е – отношение абсолютной
влажности к максимальной влажности при той же температуре:
%100= F
f
E
. (3)
Зачастую, эта формула нам знакома со школы, но в ином виде:
100%
нас
p
p
=
или
100%
нас
=
. (4)
Относительная влажность воздуха φ – это отношение
парциального давления водяного пара в нём к давлению
насыщенного водяного пара при той же температуре, либо
показывает сколько процентов составляет абсолютная влажность от
плотности насыщенного водяного пара при данной температуре.
Относительная влажность измеряется в процентах и
характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
4. Дефицит влажности D – физическая величина, численно
равная разности между максимальной и абсолютной влажностью,
указывающая, какую массу водяного пара на единицу объёма
необходимо добавить для того, чтобы воздух при данной
температуре стал насыщенным:
fFD −=
или
. (5)
Для медицины важно знать как абсолютную, так и
относительную влажность воздуха. Например, испарение воды с
поверхности кожи зависит от относительной влажности, так как чем
больше разница между абсолютной и максимальной влажностью,
т.е. чем больше дефицит влажности, тем быстрее идет испарение.
Рассматривая испарение воды легкими, следует учитывать
абсолютную влажность, т.к. из легких выдыхается почти
полностью насыщенный водяным паром воздух при температуре
примерно 30оС. Количество пара, которым воздух насыщается в
легких, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.
Нормальной для жизни человека считается относительная
влажность от 40% до 60%.
Для измерения абсолютной и относительной влажности
воздуха существует несколько методов.
4
1. Метод непосредственного измерения.
Сущность данного метода состоит в следующем. Пропустив
определенный объем воздуха через вещество, поглощающее пары
воды, определяют увеличение массы этого вещества. Эта прибавка
и есть масса поглощаемого пара. Этот способ является наиболее
точным, но очень громоздким и на практике применяется редко.
2. Определение влажности воздуха с помощью
волосяного гигрометра.
Волосной гигрометр предназначен для измерения
относительной влажности в наземных условиях. Пределы измерения
30-100%. Действие прибора основано на свойствах обезжиренного
человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от
относительной влажности воздуха. Гигрометр состоит из
чувствительного элемента (обезжиренный человеческий волос),
передаточного механизма, – шкалы, стрелки и металлической рамки,
на которой закреплены детали прибора (рис 1).
Рис. 1. Устройство волосяного гигрометра.
Обезжиренный волос закреплен на металлической рамке.
Верхний конец волоса укреплен на винте регулятора, нижний – на
дужке с грузиком. Дужка при помощи стерженька соединена с
осью, на которой расположена стрелка. Грузик держит волос в
натянутом состоянии. При изменении влажности изменяется и
длина волоса, ось поворачивается, и стрелка перемещается по
шкале прибора. Цена деления шкалы 1% относительной влажности.
Деления шкалы неравномерны: с увеличением влажности они
5
постепенно уменьшаются, что обусловлено тем, что при малой
влажности длина волоса изменяется быстрее, чем при большой.
3. Определение влажности воздуха с помощью
гигрометра Ламбрехта.
Гигрометр Ламбрехта – прибор конденсационного типа. Он
состоит из небольшой металлической цилиндрической камеры 1 с
никелированной передней стенкой 2, окруженной таким же
кольцом 5 отделенным от нее теплоизолирующей прокладкой 6
(рис. 2). В цилиндрической камере имеются отверстия, в одно из
них вставляется термометр 3 и через это отверстие с помощью
пипетки наливается эфир в таком количестве, чтобы жидкость
покрывала шарик термометра; другое отверстие служит для выхода
воздуха, в третье впаяна металлическая трубочка, доходящая почти
до самого дна. При помощи резиновой груши 4 в эту трубочку
медленно вдувается воздух, который проходит через слой эфира.
При быстром испарении эфира происходит охлаждение стенки
камеры и при некоторой температуре, ниже комнатной, водяной
пар, находящейся в прилегающем к стене слое воздуха, станет
насыщенным и начнет конденсироваться на поверхности камеры.
Рис. 2. Устройство конденсационного гигрометра.
Температура, при которой водяной пар, находящийся в
воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.
В момент появления первых признаков росы (потускнение
поверхности) прекращают продувание воздуха и быстро
отсчитывают температуру t1 по термометру – точка появления росы.
6
Через некоторое время потускнение начинает исчезать с
поверхности и в момент его исчезновения отсчитывают температуру
t2 исчезновения росы. Обычно температура t1 немного ниже t2. За
температуру точки росы берется среднее из этих двух отсчетов:
221 tt
t+
=
. (6)
Точку росы определяют обычно не менее 5 раз и рассчитывают
ее среднее значение. Абсолютная влажность ρабс определяется из
таблицы 4 зависимости давления и плотности насыщенного водяного
пара от температуры точки росы (tср). Максимальная влажность
определяется по той же таблице, но при комнатной температуре. Зная
абсолютную и максимальную влажность, находят по формуле (3)
относительную влажность и по формуле (5) дефицит влажности.
Например, точка росы tросы = 12оС и температура воздуха t = 24оС.
По точке росы tросы = 12оС из таблицы 4 находим f = 10,7 г/м3,
а по температуре воздуха t = 24оС из таблицы 4 находим F = 21,8
г/м3. По формуле (3) относительная влажность Е ≈ 49% и по
формуле (5) дефицит влажности D = ρмакс – ρабс=10,1 г/м3.
4. Определение влажности воздуха аспирационным
психрометром Ассмана.
Влажность воздуха может быть также определена по
показаниям психрометра и психрометрическим таблицам.
Психрометрический метод определения влажности основан на
зависимости скорости испарения воды от влажности
окружающего воздуха. Психрометр Ассмана состоит из двух
одинаковых термометров, резервуары которых в целях защиты от
излучения окружающих тел помещены внутри открытых
металлических двустенных трубочек.
Резервуар одного из термометров обмотан батистом, который
смачивается водой. Вращением вентилятора в прибор засасывается
воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по
воздухопроводным трубкам и выбрасывается наружу. Сухой
термометр будет показывать температуру воздуха t1, а влажный –
температуру t2. Вследствие испарения воды с поверхности батиста
температура t2 будет меньше t1 и разница между ними тем больше,
чем меньше относительная влажность воздуха.
7
Рис. 3. Внешний вид психрометра Ассмана.
Абсолютную влажность f рассчитывают по формуле:
)( 21001 ttHApf −−=
, (7)
где р1 – давление насыщенных паров при температуре t2
испаряющейся жидкости; и определяется по таблице 4; А0 –
постоянная психрометра и А0 = 0,0013 г/град; Н0 – атмосферное
давление, выраженное в миллиметрах ртутного столба; t1 –
температура сухого термометра.
5. Определение влажности воздуха с помощью
психрометра Августа
Психрометр Августа
состоит из двух одинаковых
термометров. Резервуар одного
из них обтянут кусочком
батиста, свободный конец
которого опущен в резервуар с
дистиллированной водой.
Вследствие испарения воды
показания влажного термометра
будут ниже, чем сухого. Зная
разность показаний сухого и
влажного термометров и
показания сухого термометра, по
психрометрической таблице 3 определяют относительную
влажность окружающего воздуха, а по формулам (3) и (5) находят
абсолютную влажность f и дефицит влажности D.
8
Порядок выполнения работы
Упражнение №1. Определение влажности с помощью
психрометра Августа.
1. Убедиться, что в колбе психрометра достаточно
жидкости и батист опущен в неё, а сам термометр находится в паре
сантиметров над поверхностью жидкости. Термометр не должен
быть погружен в жидкость!
2. Перед началом измерений определитесь с ценой
деления термометров.
3. Через 10 минут записать показания сухого tсух и
влажного tвл термометров.
4. Определить разность показаний термометров:
Δt = tсух – tвл.
Пользуясь психрометрической таблицей 3 найти относительную
влажность Е.
5. Определить максимальную влажность F по таблице 4,
по показаниям сухого термометра.
6. Найти абсолютную влажность f по формуле:
%100
FE
f
=
.
7. Определить дефицит влажности D по формуле:
fFD −=
.
8. Полученные данные занести в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты измерений и вычислений
tсух
(0С)
tвл
(0С)
Δt
(0С)
Е
(%)
F
(mm.Hg)
f
(mm.Hg)
D
9
Таблица 3
П с и х р о м е т р и ч е с к а я т а б л и ц а
Показания
сухого
термометра
в 0С.
(Разность показаний сухого и влажного термометра в °С)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
15
100
90
80
71
61
52
44
36
27
20
12
16
100
90
81
71
62
54
46
37
30
22
15
17
100
90
81
72
64
55
47
39
32
24
17
10
18
100
91
82
73
65
56
49
41
34
27
20
13
19
100
91
82
74
65
58
50
43
35
29
22
15
20
100
91
83
74
66
59
51
44
37
30
24
18
21
100
91
83
75
67
60
52
46
39
32
26
20
22
100
92
83
76
68
61
54
47
40
34
28
22
23
100
92
84
76
69
61
55
48
42
36
30
24
24
100
92
84
77
69
62
56
49
43
37
31
26
25
100
92
84
77
70
63
57
50
44
38
33
27
26
100
92
85
78
71
64
58
51
46
40
34
29
27
100
92
85
78
71
65
59
52
47
41
36
30
28
100
93
85
78
72
65
59
53
48
42
37
32
29
100
93
86
79
72
66
60
54
49
43
39
33
30
100
93
86
79
73
67
61
55
50
44
39
34
Таблица 4
Давление и плотность насыщенного пара
Температура
Упругость насыщенного
пара в мм. рт. ст. (mm.Hg)
Масса в г/м3
15
12,78
12,8
16
13,634
13,6
17
14,580
14,5
18
15,477
15,4
19
16,477
16,3
20
17,585
17,3
21
18,650
18,3
22
19,827
19,5
23
21,068
20,6
24
22,377
21,8
25
23,756
23,0
26
25,209
24,4
27
26,739
25,8
28
28,319
27,2
29
30,043
28,7
30
31,524
30,3
10
Контрольные вопросы
1. Определения абсолютной, максимальной и относительной
влажности, единицы их измерения.
2. Определение точки росы, дефицита влажности, единицы их
измерения.
3. Методы определения абсолютной, максимальной и
относительной влажности.
4. Устройство и принцип работы волосного гигрометра и
гигрометра Ламбрехта
5. Устройство и принцип работы психрометра Августа.
6. Влажность воздуха в жизнедеятельности человека.
Задачи
1. Влажный термометр психрометра, установленного в
помещении, показывает температуру 16 °С, а сухой – 22 °С. Какова
относительная влажность воздуха в помещении?
2. В зимнее время года в больничной палате объемом V = 40 м3
при температуре t = 20 °С относительная влажность воздуха
составляет φ1 = 15%. Какое количество воды следует испарить в
увлажнителе воздуха для доведения влажности воздуха до нормы
φ2 = 50%? Температура воздуха в комнате постоянна. Плотность
насыщенного пара при 20 °С принять ρ = 17,3 г/м3.
3. В помещении операционной объемом 60 м3 установлен
кондиционер. Какое количество избыточной влаги будет удалено
из помещения кондиционером для доведения влажности воздуха
до 50 %, если начальная влажность воздуха в помещении
составляла 75 %? Температура воздуха в помещении постоянна и
равна 20 °С. Плотность насыщенного пара при 20 °С принять
равной 17,3 г/м3.
Рекомендуемая литература
1. Эйдельман Е.Д. Физика с элементами биофизики
[Электронный ресурс]: учебник - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. -
http://www.studmedlib.ru/ru/doc/ISBN9785970425244-
SCN0009/011.html [Глава 7, Раздел 10/6, С. 7,12-15].
2. Физика [Электронный ресурс]: учебник / Федорова В.Н.,
Фаустов Е.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. -
http://www.studmedlib.ru/ru/doc/ISBN9785970419830-
0005/013.html [Глава 5, Раздел 6/15, С. 14-19].